推力调节阀流场分析

张成印,徐姗姗,鲍锦华

(北京航天动力研究所,北京100076)



推力调节阀流场分析

张成印,徐姗姗,鲍锦华

(北京航天动力研究所,北京100076)

摘要：为研究推力调节阀结构对内流场分布及流量特性的影响，利用计算流体力学方法对窗口式气体调节阀的流场进行了仿真计算，该调节阀在作为软着陆下降级的液氧/甲烷发动机中起到推力调节作用。仿真得到了调节阀流场的压力分布、速度分布。速度场分布给出了流场中各处流速分布及漩涡出现位置，证明了出口锥角对流场导流作用，能显著影响出口流场中的漩涡数量；压力场结果准确表明流场中节流只发生在窗口位置，不存在二次节流，验证窗口设置及结构的合理性；计算得到了不同调节工况下调节阀的流量系数，变化趋势为随着推力工况增高而降低。

关键词：下降级；推力调节；液氧/甲烷；窗口调节阀；CFD

1 引言

随着航天事业的发展,通过载人航天器对外星球探索已成为现实［1］。最直接的方式为进行外星软着陆,软着陆下降级发动机有着至关重要的作用［2］。

液氧/甲烷下降级发动机是一种设计中的软着陆下降级发动机,为满足载人登月的先期需求,在整个载人登月任务中作为月面着陆器登月阶段唯一的动力来源,需要为着陆器的地月转移、近月制动、环月飞行降轨以及月面着陆等提供动力。整个过程中发动机工作时间长达数十天,需要具有大范围变推力调节的特性［3］。推力调节阀为该发动机实现变推力调节的重要组件,在变推力时,通过给电机发出指令,控制调节阀开度来改变做工介质的流通量,从而改变涡轮泵转速,实现变推力调节［4］。

本文的研究对象为窗口节流形式调节阀,工作介质为气体,位于发动机系统中的涡轮旁通路,通过调节旁通路中分走的做工介质流量改变涡轮功率,实现变推力调节［5］。推力调节系统原理见图1。

图1 推力调节系统示意图Fig.1 Sketch of thrust control

该结构调节阀可以根据驱动电机步数的精密程度实现窗口开度的无级调节。通过计算流体力学(CFD)方法,对调节阀内流场进行仿真分析,得到流场的速度、压力分布情况并进行分析。

对调节阀内流场的研究有助于更精确地掌握调节阀性能,更好地控制调节精度。

2 模型建立

推力调节阀为套筒窗口式结构,阀门内流场通过流通窗口分为入口、出口两部分流场。流通窗口作为节流元件,通过控制电机调节流通窗口在流场中的面积实现流量调节。建立的内流场的模型如图2所示。

图2 内流场模型Fig.2 Model for internal flow field

调节阀的节流窗口设计为多个均布在出口的圆周,窗口的结构由三部分组成：调节余量、可调区域和固定流通区域。图3为一种窗口结构的示意图。其中调节余量是留作备用,通常不进入介质通道,用以在实际使用与设计出现误差或需要超出最大工况时补偿窗口面积；可调区域为调节阀工作在不同工况时可调的流通面积,通过套筒的移动改变进入流道的面积；固定流通区域代表调节阀通常工作状态时的最小流通面积,该面积设定为一直保持在介质通道中,采用圆锥形面以适当增大运行行程,避免狭缝流动。

图3 调节窗口示意图Fig.3 Sketch of regulation window

工作介质为气态甲烷,介质的流动状态为湍流,采用压力边界条件。

3 仿真结果及分析

根据需求将调节阀调节位置设置为从最高至最低分为10个工况,对10个不同工况条件进行仿真分析。

仿真计算采用Fluent,运用workbench进行建模、网格划分及后处理,网格划分使用四面体网格。Fluent计算采用RNG k-ε湍流模型,压力边界条件。对调节阀流场进行仿真之后得到流场的速度分布和压力分布,取对称截面中的仿真结果,分别对速度、压力分布进行分析。对称截面如图4所示。

图4 流场对称截面Fig.4 Symmetry section for flow field

3.1 出口流场结构对比

在调节阀流场中,节流发生在窗口位置,介质在经过窗口后沿出口流场的径向流入出口流场中。对比两种出口流场结构：直筒结构和锥角结构。图5中所示为直筒出口的速度分布云图和速度矢量图,图6中所示为锥角出口的速度分布云图和速度矢量图(对比选取窗口最小开度仿真结果)。

图5 直筒出口流场Fig.5 Flow field for outlet with canister

图5、图6中,上图为速度分布云图,下图为速度矢量图。

如图5所示,介质在窗口处节流,流速最大。流动通过窗口节流面后形成射流进入出口流场,在每股射流两侧形成两个明显的漩涡。在速度云图中,在出口流场管路轴线与射流相交的位置出现一个中心近似静止(流速接近0)、四周有流动的现象。从对应矢量图可以看出,这种现象出现原因为分布在管两侧相对的窗口射流对撞,一部分介质流动动量相互抵消,形成一个小的瞬时流动静止区域。在周围漩涡中心位置速度同样接近0。

如图6所示,加入锥角后,节流依然发生在窗口位置,流速最大。流动在通过窗口节流面后形成射流进入出口流场,射流进入后沿着锥角面流动,在尖角汇合成一股只在射流的外侧出现漩涡(如图6下图的矢量图所示)。直筒结构中出现的射流对撞中心流动静止情况不再存在。

对比直筒出口,加入锥角后出口流场漩涡数量减少一半,并且不存在射流对撞滞止的情况,说明可以增强流通性,降低流阻,因此在实际结构中加入锥角导流。

图6 锥角出口流场Fig.6 Flow field for outlet with taper

3.2 流场分析

为了便于比较分析,分别选取最小窗口开度、窗口半开和最大窗口开度的仿真结果进行对比,针对流场的压力、速度分布情况进行分析。

图7～9中所示为最小开度、窗口半开和最大开度下的流场压力分布云图。在不同窗口开度情况下,压力的整体分布趋势相同,入口段压力最高,在窗口中压力急速降低然后回升,入口段和出口段的压力变化很小,压力线集中在窗口处。表明整个流场中节流发生在窗口位置,其他位置不存在二次节流现象。

图7 最小开度下压力分布云图Fig.7 Pressure nephogram for minimum case

图8 窗口半开情况下压力分布云图Fig.8 Pressure nephogram for half window

图9 最大开度下压力分布云图Fig.9 Pressure nephogram for maximum case

连续性方程如式(1)［6］所示：

式中ρ为介质密度(本文研究中考虑介质密度恒定),v为介质流速,A为流通通道截面积。

当介质流经窗口处时,流通面积急剧减小,对应流动速度会急速增加。根据式(2)［6］所示伯努利方程,压力的变化与速度相反,速度增加压力会降低。窗口面积越小,从入口段到窗口和从窗口到出口段的变化率越大,这种变化趋势就会越明显,变化速度越快。因此,如图7所示,在最小开度时,压力线只密布在窗口处,在窗口外影响范围很小,但是压力变化梯度很大；如图8,随着窗口开度的增大,当窗口半开时,流场中等压线逐渐向窗口周围扩散,即压力变化存在的空间范围增大,压力变化速率降低；当窗口开度达到最大时,如图9所示,压力梯度线已经出现在流场入口管路部分,此时节流效果减弱,压力变化范围达到最大,但压力梯度线仍然在窗口处最密集。三种开度情况压力线分布位置对比说明开度由小到大,窗口面积增大,压力变化范围增大,变化速率减小,节流效果减弱。

式中p为介质压力。

图10～12所示为速度分布云图,图13～15所示为速度矢量图。不同开度条件下,速度的分布变化趋势与压力分布变化趋势相同,由大开度到小开度,速度等值线向窗口中心集中,速度变化的范围减小。小开度时,压降梯度大,介质流速值高；大开度时,压降梯度小,介质流速降低。

图10 最小开度下速度分布云图Fig.10 Velocity nephogram for Min case

图11 窗口半开情况下速度分布云图Fig.11 Velocity nephogram for half window

图12 最大开度下速度分布云图Fig.12 Velocity nephogram for Max case

通过图13～15所示的速度矢量图可以看出：在出口段的流动中,因为不同位置的流速差异,在局部位置形成了漩涡,图中圈出了从窗口到出口间的涡旋发生位置。介质从窗口流出时造成一股流速较高的射流,射流速度比周围高,会在射流周围形成漩涡,但是锥角的存在消除了出口段轴线中心的漩涡,只在射流外侧和出口外壁间形成漩涡。从图中可以看出,漩涡和锥角的共同作用,能使出口处的流速均等,出口流动稳定。由大开度到小开度,因为速度变化的范围减小,窗口中流出的射流范围减小,同时漩涡和锥角的影响减弱,造成出口处的流速降低,湍流强度减弱。

图13 最小开度下速度矢量图Fig.13 Velocity vectorgraph for Min case

图14 窗口半开情况下速度矢量图Fig.14 Velocity vectorgraph for half window

图15 最大开度下速度矢量图Fig.15 Velocity vectorgraph for Max case

综上分析,随着调节阀窗口开度的增大,压力、速度变化范围逐渐增大,等压线由集中于窗口处逐渐向周围空间扩散,压力变化率降低,介质流速逐渐降低。

3.3 流量分析

推力调节阀在系统中的主要作用是调节甲烷气体的流量,满足不同工况压力条件下的甲烷流量需求。在调节阀的设计中,需要得出不同工况条件下对应的流量特性曲线,这样才方便在后续的试验中进行校正,方便投入使用。

在系统对推力调节阀提出的要求中,不同的工况下工作压力、压降、温度和流量都不相同。阀门中气体流量计算的经验公式见式(3)［6］：

式中Qm为气体流量,A为窗口流通面积,μ为流量系数,P1为入口介质压力,T为入口介质温度。

在一种工况条件下,压力、温度条件固定,此时流量系数也基本固定,流量与面积呈正比关系。可以通过计算得出满足要求流量对应的窗口开度,进而得到不同工况下的流量系数。如图16、17所示,流量系数随要求工况的提高整体呈增大趋势,窗口开度随要求工况的提高呈减小趋势。在发动机要求的系列工况中,流量系数随窗口开度增大而减小。

图16 流量系数曲线Fig.16 Curve for flow coefficient

图17 不同工况下对应窗口开度Fig.17 Window size for different cases

4 结论

1)在出口窗口后流场中加入锥角导流后,能够有效减少出口流场中漩涡数量,降低流阻,增强阀门流场的流通性；

2)仿真压力场表明,不同开度下流场中节流均只发生在窗口处,不存在其他位置的二次节流,调节窗口可以实现对阀门流量调节；

3)随着窗口开度增大,压力、速度变化范围逐渐增大,等压线由集中于窗口处逐渐向周围空间扩散,压力梯度变化率降低,介质流速逐渐降低,节流效果减弱；

4)在设计要求的变推力工况中,随推力工况增加,窗口开度减小,流量系数增大。

参考文献（References）

［1］ 李斌,张小平,马冬英.我国新一代载人火箭液氧煤油发动机［J］.载人航天, 2014, 20(5)：427-442.LI Bin, ZHANG Xiaoping, MA Dongying.The LOX/ Kerosene rocket engine for Chinese new-generation manned launch vehicle［J］.2014,20(5)：427-442(in Chinese)

［2］ 雷娟萍,马杰,刘昌波.星球着陆下降发动机及我国登月下降发动机设想［J］.火箭推进, 2010, 36(5)：1-2.LEI Juanping, MA Jie, LIU Changbo.Lander descent engine and assumption of Chinese LMDE［J］.Journal of Rocket Propulsion, 2010, 36(5)：1-2.(in Chinese)

［3］ 范瑞祥,郑立伟,宋强,等.发动机推力调节能力对系列构型运载火箭总体性能影响研究［J］.载人航天, 2014, 20(5)：396-397.FAN Ruixiang, ZHENG Liwei, SONG Qiang, et al.Effects of throttle capability on overall performance of launch vehicle series［J］.Manned Spaceflight, 2014, 20(5)：396-397.(in Chinese)

［4］ 张育林.变推力液体火箭发动机及其控制技术［M］.北京：国防工业出版社, 2001：1-6.ZHANG Yulin.Variable Thrust Liquid Propellant Rocket Engine and Its Control Techniques［M］.Beijing：National Defense Industry Press, 2001：1-6.(in Chinese)

［5］ 付军峰,赵凤红.膨胀循环液体火箭发动机推力调节阀仿真研究［J］.火箭推进, 2013, 39(6)：12-18.FU Junfeng, ZHAO Fenghong.Simulation of thrust regulating valve of expansion cycle liquid rocket engine［J］.Journal of Rocket Propulsion, 2013,39(6)：12-18.(in Chinese)

［6］ 贾月梅,赵秋霞,赵广慧.流体力学［M］.北京：国防工业出版社, 2006：103-172, 287-318.JIA Yuemei, ZHAO Qiuxia, ZHAO Guanghui.Fluid Mechanics［M］.Beijing：National Defense Industry Press, 2006：103-172,287-318.(in Chinese)

Flow Field Analysis of Thrust Control Valve

ZHANG Chengyin，XU Shanshan，BAO Jinhua
（Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100076，China）

Abstract：The aim of the paper was to analyze the effects of thrust control valve structure on the internal flow field and the flux characteristic.The fluid flow of window-type thrust control valve，which could adjust the Lander descent engine with LOX/ methane，was simulated by the numerical method to investigate the pressure and velocity profile in the valve.From the distribution of velocity and locations of the vortex in the velocity field，it is proved that the outlet taper angle could effectively reduce the vortex in the flow.The pressure results indicated that the throttling effect on the flow only occurred nearby the window without the secondary flow.This also demonstrated the rationality of the window’s design.The flow coefficient of the valve under different flow conditions was documented and showed a decrease trend by the increasing thrust.

Key words：lander descent engine；thrust regulation；LOX/ methane；window-type thrust control valve；CFD

作者简介：张成印(1985-),男,硕士,工程师,研究方向为液体火箭发动机阀门设计。E-mail：zcy851212＠163.com

基金项目：载人航天预先研究项目(060302)

收稿日期：2015-08-10；修回日期：2016-02-29

中图分类号：V434

文献标识码：A

文章编号：1674-5825（2016）02-0169-06